第十一章-细胞核与染色质

第十一章细胞核与染色质细胞核是真核细胞内最大、最重要的细胞器，是细胞遗传与代谢的调控中心，是真核细胞区别于原核细胞的最显著的标志之一。1781年Trontana发现于鱼类细胞；1831年，Brown发现于植物。大小：植物1-4μm，动物5-10μm。正常细胞核质比NP≈0.5，分裂期细胞NP>0.5，衰老细胞NP<0.5。形状：圆形，胚乳(网状）位置：细胞中央，成熟植物细胞的边缘。数目：通常一个，成熟的筛管和哺乳动物红细胞（0）、肝细胞、心肌细胞(1-2）、破骨细胞(6-50）、骨骼肌细胞(数百）、植物毡绒层细胞(2-4)。结构：①核被膜、②核仁、③核基质、④染色质、⑤核纤层。功能：①遗传、②发育。第一节核被膜

一、核被膜是双层膜结构外核膜：来源于内质网，附有核糖体。核周隙：宽20-40nm，与ER腔相通。内核膜（核纤层）：内核膜内表面的纤维网络，支持核膜，并与染色质、核骨架相连。核被膜外核膜核孔凝聚染色质核纤层细胞核

二、核孔复合物

由至少50种，450个不同的pr构成，称为核孔复合体（nuclearporecomplex，NPC）。一般哺乳动物细胞约3000个核孔。电镜下观察核孔呈圆形或八角形。抽提后核孔胞质面的结构抽提后核孔质面的结构核孔复合体胞质环核质环胞质纤维外核膜内核膜核篮核篮纤维内腔核被膜辐中心栓终环从功能上讲，核孔复合体可以看做是一种特殊的跨膜运输蛋白复合体，并且是双功能、双向性的亲水性核质交换通道。双功能表现在它有两种运输方式：被动扩散与主动运输。双向性表现在既介导蛋白质的入核转运、又介导RNA、核糖核蛋白颗粒(RNP)的出核转运。核孔复合体作为被动扩散的亲水性通道，其有效直径为9-10nm，即离子、小分子以及直径在10nm以下的物质原则上可以自由通过。近期对于核蛋白的入核转运机制的研究进展较快。亲核蛋白是指在细胞质内合成后，需要或能够进入细胞核内发挥功能的一类蛋白质，大多数的亲核蛋白往往在一个细胞周期中一次性地被转运到核内，并一直停留核内行使功能，典型的如组蛋白、核纤层蛋白等。三、物质运输与信号序列有关核定位信号（NLS,nuclearlocalizationsignal）：引导蛋白进入细胞核，受体蛋白为核转运蛋白importin，4-8个氨基酸组成，含Pro、Lys和Arg。完成核输入后不被切除。第一个被确定的NLS是病毒SV40的T抗原，其NLS为：Pro-Pro-Lys-Lys-Lys-Arg-Lys-Val核输出信号（nuclearexportsignal），引导RNP输出细胞核，受体蛋白为核转运蛋白exportin。Ran蛋白（rasrelatednuclearprotein），属G蛋白，调节货物复合体的解体或形成。核孔蛋白质输入过程核质细胞质核孔蛋白质尾部包裹的金颗粒进入细胞核Mitochondrion细胞核核孔金粒细胞质核纤层由核纤肽构成，属中间纤维，分A、B、C三种.作用：1．保持核的形态：2．参与染色质和核的组装：M期核纤层被磷酸化，核膜解体。B型核纤肽与核膜残余小泡结合，A型溶于胞质。分裂末期，核纤肽去磷酸化重新组装，介导核膜重建。第二节染色质1848年，Hofmeister发现于鸭跖草的小孢子母细胞。1879年，Flemming提出Chromatin。1888年，Waldeyer提出Chromosome。染色体与染色质染色质是指间期细胞核内由DNA、组蛋白、非组蛋白及少量RNA组成的线性复杂结构，是间期细胞遗传物质存在的形式。染色体是指细胞在有丝分裂或减数分裂过程中，由染色质聚缩而成的棒状结构。一、染色质的化学组成组成：DNA、组蛋白、非组蛋白、少量RNA。比例：1:1:(1-1.5):0.05。(一)染色质DNA基因组（genome）DNA一级结构的多样性DNA二级结构的多形性

(1)基因组

概念:在真核细胞中，每条未复制的染色体包装一条DNA分子，一个生物贮存在单倍染色体组中的总遗传信息。生物体的单倍体基因组所含DNA总量称为C值。C值悖论：生物基因组的大小同生物在进化上所处的地位高低无关：

生物基因组中的遗传信息:

编码序列调控序列(2)DNA一级结构的多样性

非重复DNA序列中度重复DNA序列高度重复DNA序列

DNA双螺旋3种构像：①B-DNA、②Z-DNA、③A-DNA。DNA的构象现已知有A，B，C，D，E，T，Z7种。（二）组蛋白带正电荷，含Arg，Lys，属碱性蛋白，共5种，分为两类：核心组蛋白（corehistone）：H2A、H2B、H3、H4；连接组蛋白（linkerhistone）：H1。结构：高度保守，尤其是H4。核心组蛋白由球形部和尾部构成，球形部借Arg与磷酸二脂骨架间的静电作用使DNA分子缠绕在组蛋白核心上，形成核小体，尾部含有大量Arg和Lys，为转译后修饰的部位。H1多样性，具有属和组织特异性。（三）非组蛋白序列特异性DNA结合蛋白。特性：带负电，属酸性蛋白。整个细胞周期都合成，组蛋白只在S期合成。能识别特异DNA序列，结合籍氢键和离子键。功能：帮助DNA折叠、复制；调节基因表达。二、从DNA到染色体核小体（nucleosome）：一种串珠状结构，由核心颗粒和连结线DNA两部分组成，通过酶消化实验建立。核小体单位包括约200bp的DNA、一个组蛋白核心和一个H1。由H2A、H2B、H3、H4各两分子形成八聚体，构成核心颗粒；DNA分子缠绕在核心颗粒表面，每圈80bp，共1.75圈，约146bp，两端被H1锁合；相邻核心颗粒之间为一段60bp的连接线DNA。在低盐亲水介质中展开的染色质，示串珠状的核小体（JA，Gall1981）通过核小体长度压缩7倍，形成11nm纤维。2.螺线管电镜下观察用温和方法分离的染色质是直径30nm的纤维构成的螺线管，由核小体螺旋化形成，每6个核小体绕一圈，长度压缩6倍。螺线管

核小体核心颗粒核小体11nm30nm染色体多级螺旋模型DNA核小体螺线管超螺线管染色单体压缩7倍压缩6倍压缩40倍压缩5倍H2A、H2B、H3、H4

螺旋化+H1

超螺旋化和卷缩

折叠螺旋化对更高级染色体包装方式，至今尚不明确。目前多认为30nm的纤维折叠为一系列的环（loop）结合在核骨架上（或称染色体骨架），结合点是富含AT的区域。三、异染色质和常染色质常染色质是具有转录活性的染色质，结构疏松，电子密度低。异染色质的特点：①凝缩状态，无转录活性、是遗传惰性区。②在细胞周期中表现为晚复制、早凝缩。③分为两类：结构异染色质、兼性异染色质巴氏小体（barrbody）箭头示巴氏小体雌性哺乳动物细胞中一条异固缩化的X染色体。人胚胎发育16天后出现巴氏小体。第三节染色质的复制与表达一、染色质的复制与修复

1、复制电镜照片显示一个刚复制的DNA区段，其两条子链上都已包装成核小体，说明DNA的复制和核小体的复制是偶联的。异染色质复制过程模式图2、修复与基因组的稳定性裸露的DNA容易突变，需要对其修复.修复好的DNA必须及时与组蛋白结合，防止DNA断裂。二、染色质的激活与失活

（一）、染色质的激活1、染色质重塑（DNA结构与核小体相位的变化）SWI/SNF2、组蛋白修饰改变染色体结构，影响转录活性核小体表面改变，便于调控蛋白结合472、组蛋白修饰磷酸化乙酰化甲基化甲基化甲基化泛素化2、组蛋白修饰组蛋白修饰种类乙酰化--一般与活化的染色质构型相关联，乙酰化修饰大多发生在H3、H4的Lys残基上。甲基化--发生在H3、H4的Lys和Asp残基上，可以与基因抑制有关，也可以与基因的激活相关，这往往取决于被修饰的位置和程度。磷酸化--发生H1的Ser残基，一般与基因活化相关。其他修饰组蛋白乙酰转移酶组蛋白组乙酰化酶2、组蛋白修饰

组蛋白修饰种类甲基化--发生在H3、H4的Lys和Asp残基上，可以与基因抑制有关，也可以与基因的激活相关，这往往取决于被修饰的位置和程度。磷酸化--发生H1的Ser残基，一般与基因活化相关。其他修饰二、染色质的激活与失活

（二）、染色质的失活1、X染色体的失活在雌性哺乳动物中，两条X染色体有一条是失活的,称为X染色体的剂量补偿(雄性H4发生乙酰化，雌性不发生乙酰化)。

X染色体失活的机制二、染色质的激活与失活

（二）、染色质的失活2、位置花斑效应（positioneffectvariegation,PEV）因靠近异染色质而造成的基因表达沉默。

果蝇眼睛的有些区域没有颜色，而另一些区域则呈红色，因为有些细胞中的white基因位于异染色质旁边而失活，而另一些细胞中的基因仍是有活性的（一）染色质模板的转录（真核生物）基因转录的模板不是裸露的DNA，染色质是否呈疏松结构，即是否处于活化状态是决定转录功能的关键

RNA聚合酶被认为是用“核小体犁”（SWI/SNF复合物）来解除组蛋白和DNA间的相互作用。二、染色质与基因调控转录开始被激活乙酰化染色质解凝聚，露出组蛋白尾巴形成转录起始物转录的激活与转录起始物的形成与增强子结合SBF与介导因子结合SBF与近启动子结合

通用转录因子（非特异转录因子）参与转录调控的因子特异转录因子转录激活因子（DNA-蛋白质）转录抑制因子

特点：至少含3个功能结构域：DNA结合功能域，转录活性功能域，其他转录因子结合功能域；能识别并结合上游调控区中的DNA元件（顺式作用元件）结合；对基因表达有正性或负性调控作用，即激活或阻遏基因表达。目前研究较广泛的有:识别TATA区的TFⅡD，识别CAAT区的CTF，识别GGGCGG的SP1，识别热激蛋白启动区的HSF。（二）转录因子介导的调控（三）DNA甲基化的调控

DNA甲基化(methylation)是指在甲基化酶(methylase)的作用下，将一个甲基(methyl)添加在DNA分子中的碱基。基上，最常见的是加在胞嘧啶上，形成5-甲基胞嘧啶，用mC来表示。

。SAM：S-腺苷甲硫氨酸CpG岛(CpGisland)CpG常成簇存在，人们将基因组中富含CpG的一段DNA称为GC岛(GCisland)。甲基化改变了DNA各构象间的平衡，从而影响了DNA专一序列与相应蛋白的结合；将转录因子识别的DNA序列，转变为转录抑制物的结合位点。5'-mCpG-3'3'-GpCm-5'（四）组蛋白修饰的调控组蛋白中被修饰氨基酸的种类、位置和修饰类型被称为组蛋白密码（histonecode)。H3,H4的乙酰化H3,H4的去乙酰化松散紧密59组蛋白修饰基因组含有两类遗传信息一类是传统意义上的遗传信息，即DNA序列所提供的遗传信息；另一类是表观遗传学信息，它提供了何时、何地、以何种方式去应用遗传信息的指令。四、染色质与表观遗传双胞胎男孩一样爱零食

通常到了老年，双胞胎相似性会减弱

在外界影响下基因组在表达水平上的不同导致了双胞胎分道扬镳。主要原因DNA的甲基化和组蛋白的乙酰化作用让基因的表达增强或者减弱1.概念：基因的DNA序列不发生改变的情况下，基因的表达水平与功能发生改变，并产生可遗传的表型。2.特征:(1)可遗传；(2)可逆性；(3)DNA不变3.表观遗传学的现象：(1)DNA甲基化(2)组蛋白修饰(3)MicroRNA(4)染色体重塑表观遗传学第四节、染色体一、染色体的形态结构主缢痕长臂短臂端粒次缢痕随体染色体的结构着丝粒次缢痕核仁组织区随体端粒

染色体分类：根据着丝粒在染色体上的位置

中着丝粒染色体

亚中着丝粒染色体

近端着丝粒染色体

端着丝粒染色体染色单体：中期染色体由两条染色单体组成，两者在着丝粒的部位相结合。核仁组织区（NORs）：构成核仁，位于染色体的次缢痕区，但并非所有的次缢痕都是NORs。核仁组织者中心形成核仁核被膜细胞核机械剪切隔离的细胞核是由破坏了的染色体环构成10个染色体伸展展出的rDNA环互相接触甚至融合的区域构成核仁端粒（telomere）：由高度重复的短序列组成。作用：维持染色体稳定性。起细胞分裂计时器的作用。DNA每复制一次端粒减少50-100bp。四膜虫人类拟南芥在细胞世代中确保染色体的复制和稳定遗传，染色体应具备3种功能元件：至少一个DNA复制起点，确保染色体在细胞周期中能够自我复制，维持染色体在细胞世代传递中的连续性；一个着丝粒，使细胞分裂时已完成复制的染色体能平均分配到子细胞中；最后，在染色体的两个末端必须有端粒，保持染色体的独立性和稳定性。构成染色体DNA的这3种关键序列称为染色体DNA的功能元件。（二）染色体的数目性细胞染色体为单倍体，用n表示；体细胞为2倍体，以2n表示，还有一些物种的染色体成倍增加成为4n、6n、8n等，称为多倍体。染色体的数目因物种而异。（三）着丝粒的结构着丝粒（centromere）和着丝点（kinetochore）是两个不同的概念。着丝粒包含3个结构域：1.着丝点结构域（kinetochoredomain）位于着丝粒的表面，包括三层板状结构和围绕外层的纤维冠(fibrouscorona)。着丝粒纤维冠着丝点结构中央结构域配对结构域2.中央结构域位于着丝点结构域的下方，含α卫星DNA。3.配对结构域位于着丝粒内层，中期连结染色单体。4.着丝点蛋白用ACAs发现的着丝粒蛋白主要有6种（CENPA-F）（四）核型与带型1.核型：物种中期染色体特征的总和（染色体数目、大小、形态）。2.带型：染色体经理化因素处理后染色，呈现稳定的带纹（band）。分带技术分两类：一类是产生的染色带分布在整个染色体的长度上如：Q、G和R带，另一类是局部性的显带，如C、Cd、T和N带。染色体的三个关键区域端粒序列自主复制序列着丝粒序列着丝点姊妹染色体复制泡人类雌性G带型G带显示的湿染色体三富含AT的区域人类雌性C带型人类雌性C带型显示的着丝粒异染色质（五）几类的特殊的染色体1.多线染色体：Balbiani(1881)发现于摇蚊幼虫唾腺细胞，特点：①体积巨大，是由于核内有丝分裂的结果；②多线性；③体细胞联会；④横带纹；⑤膨突和环。在幼虫发育的某个阶段，多线染色体的某些带区疏松膨大，形成膨突（puff），或巴氏环（Balbianiring）。用H3-UdR处理细胞，发现膨突被标记，说明膨突是基因活跃转录的区域。多线染色体2.灯刷染色体见于鱼类、两栖类、爬行类双线期卵母细胞，双线期是卵黄合成的旺盛期。染色体主轴两侧有侧环，状如灯刷，故名。侧环是转录活跃的区域。3.B染色体Randolph（1928）把生物的正常染色体叫做A染色体，把形态和行为不同为A染色体的超数染色体称B染色体。2.灯刷染色体3.B染色体

第五节核仁间期细胞核内呈圆球形的结构，一般1-2个。功能是转录rRNA和组装核糖体亚单位。蛋白合成旺盛和分裂增殖较快的细胞有较大和较多的核仁，反之核仁很小或缺失。核仁在分裂前期消失，末期又重新出现。一、核仁形态1纤维中心区域(FC)：是致密纤维包围的低电子密度的圆形结构，主要成分为RNA聚合酶和rDNA。2致密纤维组分(DFC)：呈环形或半月形包围FC，由致密纤维构成，是新合成的RNP。3颗粒组分区域(GC)：由直径15-20nm的颗粒构成，是不同加工